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基于PLC的汽车横拉杆拧紧系统的应用与实现

2020-05-19谭益娜 张辉

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本文提出的汽车横拉杆拧紧系统已应用于某公司的电子转向系统自动装配线,通过测试表明,该系统能实现左右横拉杆的安装过程受力均匀。
        汽车产业包括从汽车零部件的生产到整车交付中的所有流程,在汽车供应链的上游是汽车零部件相关产业,中游是汽车组装,下游是汽车销售服务行业。可见,位于上游的零部件是否有好的技术直接制约着汽车的综合性能,汽车零部件的数量高达上万种,其中转向系统是影响汽车安全性能方面的因素之一,而转向系统的重要零件转向横拉杆在安装过程中有两项关键点:
        1)齿条的对中处理
        齿条的对中直接响应了横拉杆的安装能否成功,传统的横拉杆安装过程通过普通气缸对齿条进行夹紧固定,在横拉杆拧紧过程中齿条会出现晃动,且齿条左右两端位置存在偏差不对称。因此,本文采用TOX气液增压缸,设置合适的压力,对齿条进行夹紧固定,然后通过气缸及传感器对齿条的左右两个端面进行检测,从而保障齿条的对中。
        2)拧紧系统的定位及左右横拉杆受力均匀保障
        转向系统的左右横拉杆可靠安装除了与齿条的对中有着很重要的关系外,还与拧紧系统的定位及拉杆两端受力是否均匀有关,因此必须保障左、右拧紧机的工作位置一致且拧紧过程同步。左、右拧紧机的扭力精度需要进行校验,同时拧紧的相关参数也需要进行优化。本文采用高精度的伺服电机对拧紧系统精确定位,拧紧系统采用多轴控制器,可以灵活、方便、快速地优化拧紧工艺参数,监控整个拧紧过程,而且能实现左右拧紧机的同步。
1 自动拧紧系统工作流程
        自动拧紧系统的工作流程分为两个进程,托盘流入主阻挡器后,RFID读写器读取托盘信息,判断产品是否需要加工以及有无产品,然后启动固定及夹紧装置,同时在上料位,人工放入工件,并通过光电开关对工件进行检测,防止工件放置不合适或工件不匹配,放置完成,人工按启动按钮启动滑台装置以及拧紧工序。自动工作流程如图1所示。

拧紧系统工作流程示意图

图1 拧紧系统工作流程示意图

2 拧紧系统组成及功能
        2.1系统组成
        自动拧紧系统主要由拧紧装置、固定及检测装置、滑台驱动装置、RFID托盘识别装置、安全防护装置组成,如图2所示。

拧紧系统机械结构设计图

图2 拧紧系统机械结构设计图

        ①拧紧装置:拧紧装置主要包括伺服机构和拧紧机,拧紧控制器采用的是德国Rexroth品牌SB356型,SB356型控制器可以同时控制多个拧紧机,并且每个拧紧机可以设置不同的工艺参数及程序,也可以实现同步。伺服机构也是采用的Rexroth品牌,响应速度快、稳定性好,拧紧装置如图3所示。

拧紧装置图

图3 拧紧装置图

        ②固定及检测装置:采用Tox气液增压缸对齿条进行夹紧固定,Tox缸包含油路和气路,油路控制夹爪夹紧,气路控制夹爪松开。检测装置分为工作位和上料位两部分。工作位通过气缸及传感器检测产品的位置是否合适,上料位采用对射式光电传感器进行辅料防错检测,固定及检测装置如图4所示。

固定及检测装置图

图4 固定及检测装置图

        ③滑台驱动装置:由主滑台、滑台驱动气缸、滑台锁紧气缸组成,该装置的动作受外光栅的保护,当外光栅被打断时,滑台驱动装置的气路和电路都被切断,从而保障操作人员的人身安全。
        ④RFID托盘识别装置:RFID系统采用西门子RF340R射频读写器,可识别多种类型的应答器(RF300,ISO15693等)。因此新旧系统间的迁移变得更容易,方便新应用拓展。该系统可用于控制及优化工业生产中的材料流动。
        ⑤安全防护装置:由内外光栅、安全阀、安全继电器组成,从电路、气路上双保险来保障作业安全。
        2.2 电气拓扑结构
        拧紧系统控制器采用西门子300系列PLC,KP700触摸屏作为操作界面终端。触摸屏通过
ProfiNet网络与PLC通信。ProfiNet具有开放性、灵活性、高效率和高性能等优势。通过触摸屏操作界面可以设置配方参数、监控整个设备的运行状态、操作信息等,可以查看产品计数、历史报警等信息。拧紧控制器、伺服驱动器、RFID、阀岛通过profibus-DP总线与PLC交互信号。现场传感器等信号采用分布式IO模块采集,同样也通过profibus-DP总线与控制器交互信号,从而节省了布线、PLC自身的I/O点数,并且节省了系统整合的时间。自动拧紧系统的电气拓扑结构如图5所示。

 拧紧系统的电气拓扑结构图
图5 拧紧系统的电气拓扑结构图

3 基于PLC的控制方案的实现
        3.1 控制器组成
        本系统控制器采用SIEMENSS7-300系列PLC[5-8],它是一种中小型PLC,模块化结构,具有运算速度快的特点。本系统中的PLC由CPU模块317-2PN/DP、数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、远程IO模块Cube67BN-P组成,其中CPU指令执行的时间可达25ns,保持性存储器最大值为256KB。设备上的传感器信号采用远程IO模块,具有安装灵活、维护方便,且可以节省布线。本系统的操作界面采用SIEMENS的KP700精致面板,是一款带有薄膜按键的触摸屏。
        3.2 拧紧系统控制软件部分
        软件部分分为上位机和下位机两部分,下位机采用软件STEP7V5.6,上位机软件采用博图V14SP1,上下位机通过PN网络进行数据交互。下位机程序的结构主要由主程序块、功能块、数据块组成,功能块通过主程序块直接或间接调用。
        功能块主要包含信号采集功能块、操作模式功能块、手动功能块、自动顺序功能图、拧紧功能块、伺服功能块、输出功能块、人机界面交互功能块等组成。数据块分为背景数据块和共享数据块(即全局数据块)。PLC程序主要采用语句表、梯形图相结合,充分发挥了语句表简洁清晰、梯形图直观的特点。横拉杆拧紧系统的自动程序,则采用graph编程语句,可以清晰查看每一步的动作顺序及条件,方便在画面中监控自动流程的每一步的状态,以便问题处理。
        PLC的程序结构如图6所示,主程序块如图7所示。

PLC程序结构图

图6 PLC程序结构图

主程序块部分语句表

图7 主程序块部分语句表

        上位机软件主要由主画面、操作模式选择、参数设置画面、手动操作画面、生产信息显示画面、报警查询画面、账户管理等组成。
        ①主画面:显示当前产品型号、当前操作信息、当前报警信息、当前设备状态等。
        ②操作模式选择:用于选择手动、自动/步进、回原位模式。
        ③参数设置画面:可以设置拧紧枪、伺服电机、产品型号等参数。
        ④手动操作画面:用于操作气缸、电机等动作。
        ⑤生产信息显示画面:可以监控合格和不合格产品数量、设备生产节拍等信息。
        ⑥报警查询画面:可以查询历史报警记录、操作记录。
        ⑦账户管理:可以对账户进行权限分类和登录管理。
        3.3 横拉杆装配过程可追溯的解决方法
        随着科技的发展,制造业自动化程度的提高,在生产制造和装配领域实现了全过程的自动化,而用户的需求也越来越精细化,如对汽车零部件装配线上的每一道工序中设备状态、过程数据等都可进行追溯查询。本文采用RFID射频识别技术实现自动化生产线的可视化管理以及生产过程的控制。
        3.4 齿条对中处理措施
        首先,在系统使用前,人工对工装进行对中校正。系统使用时,齿条随托盘流入阻挡位,顶升气缸将托盘顶升,然后气缸驱动夹爪接触齿条,TOX气液增加缸夹紧齿条,通过设置TOX缸的压力大小调整夹紧力度,可靠固定齿条。最后通过传感器检测齿条的端面来保障齿条在中心位置。齿条的固定及检测如图8所示。

齿条固定及检测图

图8 齿条固定及检测图

        3.5 左右横拉杆受力均匀的解决办法
        传统拧紧系统的左右拧紧机采用单独控制的方式,很难保障拧紧过程中左右横拉杆的受力是均匀的,本文采用伺服定位、同步拧紧的方式保障了左右横拉杆安装的位置精度以及拧紧过程的扭力、速度、角度等变化的一致。首先左右伺服机构带动拧紧机运行至起始拧紧位置,拧紧系统开始工作反向旋转370°,确保拉杆螺母正常套入齿条,然后开始正向旋转拧紧,分两次同步拧紧。
4 拧紧工艺参数及曲线
        汽车横拉杆拧紧系统的拧紧过程主要分为5个步骤,第1步和第2步以角度作为控制目标,第3-5步根据扭矩[13-15]进行控制,其中第4步和第5步左右拧紧机同步拧紧。
        1)拧紧过程的主要工艺参数如表1所示。

拧紧工艺参数

表1 拧紧工艺参数

        2)拧紧完成的数据如表2所示。

拧紧状态及数据
表2 拧紧状态及数据

        上述表2中的数据反映了拧紧完成后横拉杆拧紧的扭矩与角度,其中1#拧紧机最终的实际扭矩为101.8Nm,2#拧紧机最终的实际扭矩为101.2Nm,而扭矩设定值为100Nm,因此两台拧紧机的实际扭矩与设定扭矩的偏差均在±5以内,且左右拧紧机的扭矩相差0.6Nm,实现了左右横拉杆受力均匀的需求。
5 结论
        文中介绍了一种用于汽车零部件自动装配线的横拉杆自动拧紧系统,对系统的组成、结构特点、工作原理进行了详细的说明。为了保障汽车转向系统的横拉杆安装过程中齿条的对中固定、左右横拉杆受力均匀,采用了气液结合且压力可调的增压缸进行固定,利用气缸和传感器检测齿条端面保障齿条位置对中,另外采用多轴控同步拧紧实现了横拉杆安装过程受力均匀。该系统还存在需要改进的地方,如工装自身的对中问题,在系统使用前需要人工进行调整,因此在工装自动对中方面还有待改善。
责任编辑:杨培
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